（模式识别与智能系统专业论文）基于c167cr的摊铺机控制系统设计.pdf

摘要 沥青混凝土摊铺机是一种用来将搅拌好的沥青混合料按照一定的技术要求， 均匀地摊铺在路基上，并予以初步捣实和整平的专用工程机械。本控制系统是基 于徐工集团生产的r p s 0 0 型沥青混凝土摊铺机，以西门子公司的工用微处理器 c 1 6 7 c r 为核心的全新1 6 位控制系统。 论文从工程角度出发，首先分析了当前摊铺机控制系统的技术现状和发展方 向，并介绍了摊铺机各执行机构的功能及其相关应用技术：接着根据系统设计要 求确立了模块化的设计思想，依据不同功能将整机系统划分为交互模块、测控模 块和通信模块三个子系统。随后本文结合处理器说明了地址映射、中断机制、系 统时钟以及复位机制等系统配置方面的问题。接下来基于不同的子模块介绍了如 何搭建硬件电路以及控制算法的软件实现方法。系统设计以专用性为立足点，力 求充分利用系统资源，发挥最佳性能。 最后，根据当前控制系统中各执行机构之间缺乏通信机制而导致系统性能 “瓶井”的问题，在设计中增加了c a n 总线技术的应用，并结合c 1 6 7 c r 的集成 c a n 模块说明了具体的设计方法，使各模块之间实现信息共享和协同控制，促使 系统性能指标有了质的飞跃。 目前试制的原型系统已经投入使用，在调试过程中各项结果令人满意，为将 来控制系统的工程化应用和产业化发展打下了牢固的基础。 关键字：摊铺机，控制系统，找平，输分料，采样，滤波，c a n ，p w m a b s t r a c t a s p h a l tp a v e ri s ad e d i c a t e dm e c h a n i c a lm a c h i n e w h i c hi su s e df o r p a v i n ga s p h a l tm i x t u r ee v e n l yo nt h er o a d b e da c c o r d i n gt os o m et e c h n i c a i r e q u i r e m e n t s m a k i n g a r o u g ht r a m pa n d e v e nt h i sc o n t r o i s y s t e m i sa s p a n n e w o n ew h i c hi sb a s e do nr p 8 0 0 t y p eo fa s p h a l tp a v e r i nx u g o n gg r o u p h a v i n gt h ei n d u s t r i a lm p u c 1 6 7 c rp r o d u c e db ys i e m e n sc o r p o r a t i o na si t s k e r n e l 、 f r o mt h ev i e wo fp r o i e c t t h ep r e s e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o na n dd e v e l o p i n g o r i e n t a t i o no fp a v e rc o n t r ojs y s t e mj sa n a l y z e df i r s t l y t h ef u n c t i o na n dr e l a t i v e t e c h n o l o g yo fi t sd e v i c e si si n t r o d u c e dt o o t h e nl h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g ni s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，d i v i d i n gt h es y s t e mi n t o l h r e es u b s y s t e m ： i n t e r a c t i o nm o d u l e m e a s u r e c o n t r o im o d u l e c o m m u n i c a t i o n m o d u l e s u b s e q u e n t l y c o m b i n e d w i t hm p ul h i s p a p e r d e m o n s t r a t e ds o m e s y s t e mc o n f i g u r a t i o np r o b l e m ss u c ha sa d d r e s sm a p p i n g ， i n t e r r u p tm e c h a n i s m s y s t e mc l o c k ，r e s e tm e c h a n i s ma n de t c t h e nh o w t op u t u pc i r c u i ta n di m p l e m e n tt h es o f t w a r eo fc o n t r o fa l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e d 0 nt h t e es u bm o d u l e t h i sd e s i g nt o o ko f ff r o mp r a c t i c a l i t v ，s t r i v i n gt om a k ef u l l u s eo fs y s t e mr e s o u r c ea n dd r a wo u ti t sf u l lp e r f o r m a n c e l a s t l y , a i m i n g a tt h e p r o b l e m o f p e r f o r m a n c e c o n s t r a i n t a r i s i n g f o r a b s e n c eo fc o m m u n i c a t i o na m o n gt h ee x e c u t a b l ed e v i c e s ，a d dt h ec a nb u s a p p l i c a t i o n i n t o s y s t e md e s i g n c o m b i n e dw i t hc a nm o d u l ei n t e g r a t e di n t o c 1 6 7 c r t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o di sd e m o n s t r a t e d c a nb u s e n a b l et h ed i f f e r e n td e v i c et os h a r ei n f o r m a t i o na n dt e a m w o r k w h i c h p r o m o t e ds y s t e mp e r f o r m a n c ei m m e n s e l y n o wt h ep r o t o t y p eo fc o n t r o is y s t e mh a sb e e np u tt ou s e t h et e s tr e s u l ti s r e l a t i v e l ys a t i s f a c t o r y ，w h i c hl a yas o l i db a s i sf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n d i n d u s t r i a ip r o g r e s si nf u t u r e k e yw o r d s ：p a v e r ，c o n t r o ls y s t e m ，g r a d e ，c o n v e y o ra n df e e d e r , s a m p l e ，f i l t e r c a n p w m 、s 8 i i 3 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盖也日期：迦i ：! 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：兰塑导师签名：堕整日期：垃三：； 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程机械的研究与发展 公路施工机械是现代公路建设中极其重要的关键设备。公路修筑等级的好 坏、质量的高低，公路施工机械是重要的因素之一。随着公路建设的现代化进程， 公路施工机械也得到了长足的发展。现代公路施工机械已经发展到了高技术、高 效能、多品种的新时代，并朝着自动化、智能化的方向发展。 综观工程机械的发展历程，在技术上大致经历了三次革命。 第一次是柴油机的出现，使工程机械有了较理想的动力装置。 第二次是液压技术的广泛应用，使工程机械的传动装置、工作装置更趋合理 性。工程机械作业形式多种多样，工作装置种类繁多，要求能够实现各种各样的 复杂运动。一个动力装置常常要驱动多个对象，而且传动距离往往比较长。2 0 世纪5 0 年代出现的液压传动，为工程机械提供了良好的传动装罱。液压传动结 构紧凑，布置方便简单，易实现各种运动形式的转换，能满足复杂的作业要求， 具有许多优良的传动性能，如传动平稳，自动防止过载，易实现无级变速，操纵 简单轻便，控制性能好等。由于工程机械找到了理想的传动装置，推动了工程机 械的飞速发展，迎来了工程机械的多样化时代。 第三次是电子技术，尤其是计算机技术的广泛应用，使工程机械有了较为完 善的控制系统。要使工程机械高效节能，就要对发动机和传动系统进行合理地控 制，合理地分配功率，使其处于最佳工况；为了减轻驾驶员劳动强度和改善操纵 性能，需要采用自动控制，实现工程机械自动化；要完成高技能的作业，就需要 智能化；为了提高安全性，需要安全控制，进行运行状态监控，故障自动报警； 随着建设领域的扩展，为了避免人员到无法或不易接近的场所或作业环境十分恶 劣的地方去工作，需要采用远距离操纵和无人驾驶技术。 自8 0 年代以来，国内外工程机械技术水平都有了较大的发展，总的发展趋 势有： 1 、向节能、高效、可靠和环保型方向发展。其中发展节能型产品是工程机 械发展的主攻方向之一，一些节能新技术、新方法正在被推广使用； 2 、机电液信一体化高新技术获得越来越广泛的应用； 3 、向大型化和微型化方向发展，使工程机械产品系列更加完善，制造工艺 水平进一步提高： 4 、先进的配套动力技术。称为第二代冷却技术的“气对气中冷”系统比传 统的“水套中冷”法效率提高5 ； 东南大学硕士学位论文 5 、虚拟现实( v r ) 技术的研究与应用。 1 2 沥青混凝土摊铺机的国内外发展现状 沥青混凝土摊铺机作为一种用来铺设高等级公路路面的专用设备，该设备技 术性能的高低直接影响着路面的摊铺质量。为了进一步提高路面的摊铺精度，降 低成本，提高工效，简化结构，国外许多公司对摊铺机的技术性能，结构和控制 技术进行不断的改进和提高，其市场的竞争也是异常的恶劣。 机械液压随着工业的发展，在摊铺机上的应用技术已日趋成熟。而且机械液 压的技术发展应该是一种向社会公开的发展技术，各家公司都可以使用，因此控 制技术的高低就成为衡量一个摊铺机性能指标的非常重要的一个方面。传统的手 动控制，液压控制已不能适应现代化高等级公路的要求。电子技术的介入正是适 应了这一要求。它具有先进的控制理论，大大地提高了摊铺机的自动化程度与摊 铺精度。因而各家摊铺机公司目前主要就是在电子控制技术做文章，力图形成自 己的特色。著名公司的典型产品如v o g e l es 2 1 0 0 ，a b g 公司4 2 3 等，已成为高等 级公路的必选品。 微电子技术的发展给摊铺机的电子控制技术又带来了一次革新。微电子控制 技术是一种更为先进的控制技术，目前在国际上已被广泛采用。它的整机控制核 心为一个中央处理器，这就使得摊铺机有了一些智能化的特征。如根据你所控制 的对象，可以不断地进行软件优化，和经验积累，更新软件可以固化在存贮器中。 工作中我们可以方便的设定优化参数。数字技术的控制理论比较传统的控制理论 要先进得多。这就使得摊铺的控制更精确、更可靠，这也使得摊铺性能有了很大 的提高。如a b g 公司的“4 2 3 ”摊铺机，其驱动行走部分运用1 6b i t 处理器控制， 国产l t u l 2 5 a 在找平系统控制与行走系统控制上也运用了1 6b i t 处理器技术。 进入2 1 世纪，摊铺机控制技术将向更深的层次发展。传统的控制技术将摊 铺机分成了几大模块：行走系统、输分料系统、找平系统、发动机系统和其它辅 助装置等。这些子系统各自功能独立分散，不能互相协作，模块之间缺乏通讯手 段，因此很难在系统整体性能上有质的飞跃。目前网络技术在汽车设计制造领域 已经得到了广泛应用，比较成熟的有c a n 总线协议。在基于c a n 总线网络的 控制系统中，每一个数字微处理单元都可以达到信息共享，实现实时控制。在中 央处理器( 上位机) 的统一指挥下，各个单元能够进行最优化的组合。如发动机 的控制，传统上为了保证摊铺机的工作平稳，发动机在摊铺时必须满负荷工作， 这不仅浪费了功率，而且也对发动机的寿命及其周围环境等造成损害。在智能化 网络控制技术中，发动机的c a n 单元就可以通过网络从各相关子系统获得控制 信息，由中央处理器根据收集来的数据进行统计计算，发出指令，保证在系统稳 2 东南大学硕士学位论文 定的情况下，柴油机以最佳的功率输出。 平整度是路面摊铺质量的衡量标准之一，也是衡量摊铺机性能的最重要指 标，所以找平功能在摊铺机设计过程中就显得至关重要。虽然目前找平的控制模 式正在逐步从模拟技术向数字技术方向转化，但还有一些问题是制约找平的瓶 颈。 影响平整度的因素基本上有以下几个方面： 熨平板大臂牵引点的位置： 熨平板前材料的温度、高度、均匀度； 摊铺机摊铺速度； 熨平板的压实度( 振捣，高强压实梁等) 。 目前的摊铺机找平子系统中，仅仅大臂牵引点得到了有效控制，而如果运用 了网络技术，就可以将以上因素和找平子系统建立联系，在中央处理器的协调下， 运用模糊控制理论，共同参与控制，从而使受控对象处于最佳状态。 对于一个大型的工程施工项目而言，施工现场可能需要覆盖几平方公里的范 围，管理几十乃至上百辆工程机械车辆，上百种的施工物资，成百上千的工程施 工人员。在这种情况下就需要在工程项目现场设置p c 基站，p c 基站由p c 机提 供数据设置点。这个数据的来源是一个开放式的数据库，即公路设计部门、道路 施工部门、监理部门现场人员都可以在自己特定数据接口上输入数据。这是一个 多元化的数据库，如设计部门可将设计的路面参数如厚度、坡度、宽度等输入数 据接口，而现场施工人员则可以输入摊铺材料的型号等等。所有这些数据综合下 来，最后由基站通过无线通讯方式，发送给智能摊铺机的中央处理器，摊铺机就 会按照收到的信息和指令自动完成摊铺工作。对于相同的设置而言，一次数据的 输入可以由多台摊铺机所共享。而且智能化摊铺机还能够提供实时监测功能，并 借助于3 d 传感技术来确定摊铺机工作点的空间方位。 1 3 项目的实现背景及意义 徐州工程机械集团有限公司( 以下简称徐工集团) 是一家经国家经贸委和江 苏省人民政府批准改制的国有独资公司，全国百家现代企业制度试点单位和江苏 省十大企业集团之一。十几年来，徐工集团树立了“争创一流，回报用户”和“严 格、踏实、上进、创新”的企业精神，通过技术创新、制度创新、管理创新，取 得了迅速发展，营业收入由成立时的3 亿多元，发展到目前的近9 0 亿元，已成 为国内最大的工程机械开发、制造和出口企业。 作为一家工程机械制造领域的歼拓者，徐工集团面对迅猛发展的经济趋势和 技术趋势，始终保持忧患意识，力图站在技术领域的最前沿。在吸收国内、外先 进技术和经验的基础上，并结合集团自身数十年不断开发新产品和提高产品自动 东南大学硕士学位论文 化程度的宝贵经验，不仅提出了工程机械数字化控制的要求，并且开创性地在此 基础上，向工程机械产品的群控、网控等更高的目标迈进，提出了“机群控制” 这一全新的概念。其设想的主要目标是在传统单机控制系统的基础上，通过对通 讯技术、网络技术的应用，把单机控制系统在网络平台上进行整合，以形成单机 控制，项目级控制和企业级控制的三级控制系统。 徐工集团的“机群控制”的构想，已经成为国家十五8 6 3 计划的重点项目， 目前正由徐工集团负责牵头，联合清华大学、东南大学等多所院校和单位，组成 一个强大的技术开发团队，逐步将概念转化为现实。本课题正是基于这一构想， 负责摊铺机控制系统的设计和实现，为整个机群系统将来的产品化、产业化打下 基础。 1 4 论文内容的编排 本文将首先简单介绍一下沥青混凝土摊铺机的设备本身，并从控制对象的各 功能装置入手，介绍它们在整个控制系统中的作用以及相应的控制手段。接下来 在第三章中，将向您阐述本控制系统的设计思想和实现方法，这将分为三个部分 进行：第一部分，介绍控制系统的设计要求和整体设计，整体设计包括微处理器 以及开发工具和开发平台的选择，地址映射，系统时钟，中断机制和复位机制等 等，这适用于系统的三个子模块：第二部分，在基于模块化设计思想的基础上， 分别说明了交互模块、测控模块、通信模块的设计方法和实现细节；第三部分， 就c a n 总线技术在本控制系统中的应用进行详细阐述。 4 东南大学硕士学位论文 第二章控制对象结构研究与分析 2 1 沥青混凝土摊铺机设备简介 沥青混凝土摊铺机是一种用来将拌制好的沥青混合料按照一定的技术要求 ( 厚度和横截面形状) ，均匀地摊铺在路基上，并给以初步捣实和整平的专用路 面机械。使用摊铺机施工，既可大大地加快施工速度，节省成本，又可提高所铺 路面的质量，是修筑一般公路与高速公路不可缺少的关键设备。作为一种常用的 筑路机械设备，提高作业质量，简化操作程序是摊铺机控制技术发展的主要目标。 沥青混凝土摊铺机的类型较多，按行走方式可分为拖式和自行式，按行走装 置可分为轮胎式、履带式和轮胎履带组合式，按传动方式可分为机械式和液压式 等。沥青混合料摊铺机主要由基础车( 发动机和底盘) ，供料设备( 料斗、输送 装置和闸门) 、工作装置( 螺旋摊铺器、振捣器和熨平装置) 及控制系统等部分 组成。现代沥青混凝土摊铺机已经基本上采用了全液压驱动和电子控制、中央自 动集中润滑、液压振动、液压无级调节摊铺宽度等新技术，自动化程度高，操作 简单方便，视野好，并设有总开关、自动找平装置、卸栽装置和闭锁装置，保证 了摊铺路基、路面的平整度和摊铺质量。 根据对沥青混合料摊铺的施工要求，摊铺机工作装置必须有能将混合料横向 铺开，初步捣实和整平成型的功能。它的工作过程是这样的：混合料从自卸汽车 上卸入摊铺机的料斗中，经由刮板输送到摊铺室，再由螺旋分料器将混合料横向 铺开，由板梁结构的振捣梁将铺开的料层进行初步捣实，最后由熨平装置将初步 捣实的铺层加热熨平。为了提高预压效果，摊铺机的熨平装置上还装有加热器， 用来加热熨平装置中熨平板的底部，使之不与沥青混合料相粘，从而保证铺层平 整，以便在较低温度下也能正常施工。 下面就摊铺机各功能装置进行简要介绍。 2 2 动力装置 本控制系统是基于徐工集团的r p 8 0 0 型沥青混凝土摊铺机( 如图2 1 所示) ， 根据各工作机构的功率消耗分配情况，行走系统最大功率为1 5 千瓦，输料装置 功率为1 2 千瓦，分料装置功率为8 0 千瓦，振捣系统功率为5 千瓦，高强压振动 装置功率为2 0 千瓦，辅助系统功率为1 0 千瓦，因此总功率为1 4 2 千瓦。 该机动力装置选用德国道衣茨公司原装b m 6 f 1 0 1 3 e c 水冷柴油机，功率最大 可达1 6 5 千瓦，且有一定的功率储备量。该柴油机采用增压型，以便能适合于高 原地区使用。另外，由于摊铺机工作环境温度较高，因此该机柴油机冷却系统设 计了超大水箱( 非标准配置) ，加大了柴油机水箱冷却面积，冷却功率高达8 1 k w , 东南大学硕士学位论文 圈2 1r p s 0 0 型沥青混凝土摊铺机 同时又改善了柴油机的排风条件，因而有效地控制了柴油机的温升，保证柴油 机在6 0 摄氏度工作环境温度的情况下可连续工作。 柴油机各种监控参数如：机油压力、转速、水温、电压等全部通过电控传感 器将监控信号接入控制系统，在操作界面主页上可清楚地显示各种监控参数状态 情况。一旦发生异常，可自动进行报警提示，这样可以大大地减少因人为失误而 造成的柴油机各种故障现象。 2 3 驱动系统 对于车体的驱动系统，该机采用了德国力士乐公司超高压a 4 v g 系列柱塞变 量泵和a 6 v e 柱塞变量马达，变量泵装有压力切断阀( 低于最高溢流压力2 0 b a r ) 。 采用了左右两套独立的全液压驱动，传动系统由变量柱塞泵一变量柱塞马达一轮 边行星减速器一履带行走机构组成。行走驱动液压系统是行走电子控制系统的执 行机构，根据控制系统的要求，行走泵必须采用具有电液比例变量控制功能的 柱塞变量泵，马达应具有双级排量的变量机构，并且马达上应装有速度传感器 以便能测量行走系统的实际工作速度并且作出相应的控制反应，实现摊铺机直行 行驶、转向行驶以及原地转向等功能。 2 4 输料装置 刮板输料器是带有许多刮料板的链传动装置。刮料板由两根链条同时驱动， 并随链条的传动来刮送沥青混合料。此结构一般安装在料斗的底部。目前摊销机 中采用的刮板输送器有单排和双排两种。单排用于小型摊铺机，双排用于大、中 东南大学硕士学位论文 型摊铺机。本机输料采用全液压传动，由柱塞变量泵、低速大扭矩摆线马达、行 星减速机、链传动机构和输料传动机构组成。输料装置同样左右分开，输料速度 无级可调，互不干涉影响，结构简单，工作可靠。独立传动输料速度通过变量泵 可进行比例控制，输料料位高度采用了2 个超声波传感器来进行检测，从而使料 位高度能碍到正确有效控制。 本机在输料结构设计上进行了优化设计，输料驱动轴离地高度高，使得输料 底板出料口高度大于分料杆高度，从而克服了基础熨平板前挤料、堆料、出料效 率低等现象，提高了分料效率，减少了离析现象的发生。 输料速度范围选择合理，本机输料速度设计为1 5 2 5 m m i n ，在高速区段上 进行比例控制。这样工作时具有一定的抛料速度，使混合料向螺旋上方抛落，螺 旋叶片就能很好地向两边输料。本系统输料速度有两种控制方式，一种是手动控 制，通过操纵台上输料按扭实现输料速度无级控制，另一种是通过超声波料位传 感器和电脑控制系统对料位进行自动控制，实现全自动比例供料输料，可排除由 于系统频繁开、停而引起的振动冲击，避免了峰值负载，保护了传动系统，延长 传动装置的使用寿命。 2 ，5 螺旋分料器 螺旋分料器般都安装在机架后壁下方，可做垂直方向的高低位置调整，以 便能根据不同的摊铺厚度提供均匀的料流。它的作用是将刮板输料器送来的混合 料分送到熨平板的前端，一般分成左右两根，各自独立驱动，螺旋方向相反，旋 转方向相同，这样可将混合料横向铺开。本机左、右分料传动采用液压闭式传 动，由柱塞变量泵、斜轴柱塞马达、二线行星减速器和链传动分料箱组成。整个 传动系统具有效率高，传递动力大，系统简单可靠，左右分料互不干涉等优点。 本系统分料控制设计有两种控制方式，即手动控制和自动控制。手动控制主 要通过操纵台上左右分料按扭来进行操作，分料转速快慢，可以通过改变泵的输 出流量来实现。自动控制是通过超声波料位传感器和微电脑控制系统，根据料位 传感器采集的料位高度信号自动调节分料杆转速，实现全自动比例供料，使供料 速度与摊铺量相适应，即保持在熨平板前面混合料的高度恒定，满足最佳压实和 最佳平整度的要求，另一方面由于连续分料，避免了传动系统的峰值负荷。 2 6 振捣与熨平装置 用摊铺器铺好的沥青混合料，必须先由振捣梁进行预捣实，并按要求再由熨 平装置进行整形和熨平。振捣梁一般为板梁结构，有左右完全相同的两套。由偏 心轴进行驱动，偏心轴也是左右两根，通常由液压马达驱动，它们的相位正好相 东南大学硕士学位论文 差1 8 0 。，从而使振捣粱在工作时，左右两边一上一下交替对铺层进行捣实，以 免混合料受冲击过大，影响压实质量。 本视静双振捣租构采用液压驱动，振捣频率在o - - 1 4 5 0 r m i n 之闯可无级调 整，振幅多级可调，县有预压密实度商、密实度均匀性好、平整度高等优点，特 巅适合稳定毒苕精静耱铺施工，振动祝褐采焉革耩高强压鲸摔振动技术，在琢冲 振动粱上作用若干个振动油缸，振动梁在振动油缸的作用下产生高压，经 初步振捣压突缝理爱辫混合睾尊，逶遵焉帮高强压压实粱送一步压实，可达至l 较为 理想的密实威和平整度要求。 熨乎装鬟是终镑瓤重要王 乍援穆，它的技术毪熬好嚣壹竣影稳蕃路嚣藏玉 质量。熨平装置由熨平板、牵引臂、厚度调节器、路拱调节器和加热器等组成。 在摊镳宽路嚣时，熨乎叛采瘸滚压式豹热爨节段趣宽。本识最大羧镶竟凄为 1 2 5 i n ，基础擞平板的宽度为3 m ，加长段的设嚣满足了各种工况需要，摊铺宽度 以0 2 5 m 单位递进。拱度调节范围为2 3 ，能满足番穗路露拱度要求。 本机压实机构采阁了双掇捣压实机构和液压单脉冲振动的徐工集团专有技 术。脉冲振动油缸活塞将两个压实粱囊接作用在摊铺屡上，决定其压实强度力大 小的怒压实粱的接融滔积和脉冲油压。力的传递是以鹾力冲稔的形式，通过两个 活塞下压进行的。脉冲油压的产生借助一个转动的脉冲发生器，脉冲频率大小， 由躲、挣发生瓣的转速决定，歃冲发生器由个液压马遮驱动，其发生酌最大脉冲 频率为7 0 h z ( 可调) 。不管摊铺的道路多长，压实梁的压实力始终保持不变。压 实粱搽动静淫匿获5 0 - - 1 5 0 b a r 分嗣逡续可谲，鏊逶袋不两材辩不同瓣镶簿魔襁 材料的需要。 攘热系统采瘸了魄热蒸技术，底缀、基实粱、叛捣粱绣戆遴行麓熬，慧热热 功率设计为3 2 千瓦，预热时间约为2 0 分钟。 2 7 自幼找平系统 狡平系绕必矮傈诞裹速公路薅嚣最终平懿度指豁达妥均方差值0 ，6 0 8 m m ， 因此瀚性能摊铺机必须要求配备高精度自动找平仪。目前世界上自动找平装置主 要套搂熬控制帮数字羧铡强耱澎式。扶透年发震趋势来看，数字式控露l 虚逶已经 越来越广泛，因为它的控制精度、工作可靠性、参数修改设定等方面怒模拟式自 动找平装要嚣可魄拟憋。找平装霆盼传感器基藏主要瞧考蘸穆形式，帮税裁接爨 式传感器和超声波非接触式传感。机械接触式传感搜术已经普及使用，而超声波 非接触式传感技术，尤其是多探头带瀵度 偿躲超声波传感技术则刚雕开始推广 应用，是一项最为先进的技术。此项技术利用超声波程空气介质中传播速度为定 值，邋过测量超声波从传感嚣寝面向基准发射和返回传感器表蕊所需时阅，来钡 出传感器与基准之闯酾距离，并与设态距离避行比较，把距离误差信号传递给控 客 东南大学硕士学位论文 制器进行控制调整。 本机使用m o b a 公司的数字式控制，带多探头超声波传感的自动找平装置 具有控制精度高，无温漂，抗干扰性能好的特点。 东南大学硕士学位论文 第三章系统设计与实现 3 1 控制系统设计要求 本控制系统设计是基于徐州工程机械集团的r p s 0 0 型沥青混凝土摊铺机。该 机在机械结构和液压技术上充分吸收了国内外同类产品的先进技术和优点，采用 了全液压传动，行走及输分料装置全部左右独立驱动，料位超声波控制，双振捣 及脉冲振捣压实，电加热等当今世界最先进的技术。该产品的成功开发，将标志 着我国已经完全具备自主研制开发、生产制造大型、高档次、具有世界先进水平 的高等级公路路面施工设备的能力，从而彻底结束了我国修筑高等级公路完全依 赖进口工程机械的历史。 r p 8 0 0 型沥青混凝土摊铺机要求以1 6 位微处理器为控制核心，采用模块化 的设计思想，充分运用控制局域网( c a n ) 总线技术，将整机各工作机构与找平系 统联系起来，在中央处理器的协调下，运用先进的模糊控制理论，实现车体行驶 摊铺的方向与速度的闭环控制，车体及摊铺信息的显示、记录及测量，关键数 据的故障显示及报警，并通过无线通讯技术，与远程工作站之间实现无线通信， 将单机控制系统在新的网络平台上进行整合，以便交互相关信息和实时数据，并 带有专家故障诊断系统功能。 因此新的控制系统在基于传统的单机控制系统的要求之外，还具有如下特 征： 1 、摊铺平整度得到大大提高( 比现有产品提高2 0 左右) ； 2 、具有良好的人机交互界面触摸式键盘，显示屏对话框； 3 、具有数据传送功能，实现远程数据传送；。 4 、各系统工作数据能在显示屏上进行实时监测显示： 5 、带数据传送的综合式故障诊断功能： 6 、摊铺工作量自动统计及施工数据能自动记录、储存； 7 、具有接缝自动跟边控制功能。 3 2 高性能的1 6 位微处理器一c 1 6 7 c r 本控制系统采用西门子公司出品的1 6 位微处理器c 1 6 7 c r o l m 作为c p u ， 这是一款具有较高性能的工业用处理器。其最大寻址空间可以达到1 6m b ，采用 4 级指令通道，可对各个进程并行处理。在2 0 m h z 的系统时钟频率下，大多数 指令仅需1 个指令循环，即2 个c p u 循环( 注：1 个机器周期= 2 个c p u 时钟周 期) ，可以较好地满足工业环境下对实时性的要求。有1 6 个中断优先级，5 6 个 中断源，多达1 1 1 根的复用i o 口。 i o 东南大学硕上学位论文 这款芯片最引人注目的特点是它集成了大量的内置模块，包括2 k 字节的片 内高速扩展r a m ( x r a m ) ，可用于变量、用户堆栈和代码；内置的看门狗模块； 1 6 位分辨率的a d 转换模块及片内采样保持电路，最多可支持1 6 路通道转换： 两个定时器计数器模块，支持5 个独立的定时器计数器运行；两个具有独立时 钟源的抓取i l l 较( c a p t u r e c o m p a r e ) 单元，支持3 2 路独立的抓取比较通道： 一个p w m 模块，允许4 路独立的p w m 输出；同异步串行通道模块，带有独立 的波特率发生器、奇偶校验、错误检查；可编程数据长度和移位方向的高速同步 串行通道；带有1 5 个报文对象的c a n 通信模块( 2 0 b 协议规范) 。 片内的大量内置模块，一方面有利于系统集成和扩展，同时也在一定程度上 降低了系统成本和复杂度，有利于将来向产业化方向发展。 3 3 开发工具及软件平台 3 3 1t a s k in g 编译器 t a s k i n gc 1 6 6 s t l 0 是一款针对c 1 6 x 系列芯片设计的嵌入式系统专用开发 环境。类似于其他的编译器，它采用了工程化的方式，以工作区( w o r k s p a c e ) 和工程( p r o j e c t ) 为单元来组织开发过程。它独立支持c 、c + + 以及汇编三种编程 语言，给开发人员提供了很大的灵活性和选择性，并支持i e e e 一6 9 5 ( 供c r o s s v i e w p r o 调试使用) ，i n t e lh e x ( 供p r o m 使用) 等多种输出格式。 t a s k i n gc 1 6 6 s t l 0 带有a n s ic 的类库，常用的标准c 函数可以直接调用。 对于特殊功能寄存器s f r 都使用宏定义进行了内部封装，因此对特殊功能寄存器 的大部分设置都可以采用c 语言的形式来实现，使源代码有较强的一致性和可读 性。 编译器有优化功能。 3 3 2o r o s s v i e wp r o 调试器 c r o s s v i e w p r o 是t a s k i n g 编译器的实时源代码级的调试工具。它采用多窗口 的图形用户界面，允许面向c 语言和汇编语言的源代码调试。可以设置代码断 点和跟踪变量数据，使用断言( a s s e r t i o n ) ，指令跟踪( t r a c e ) 调试，文件系统 仿真，数据监控，单步调试，并具有灵活的记录和回放功能，提供实时的核心代 码支持，对目标板( t a r g e tb o a r d ) 进行软件仿真等等，是一款功能强大，使用 方便的调试产品。 3 3 3 p h y t e c 开发板 由p h y t e c 公司出品的k i t c o n 一1 6 7 是针对i n f i n e o n 公司的c 1 6 7 x 系列微处理 器的标准测试板( 1 6 0 l o o m m ) ，便于开发人员作为参照，迅速熟悉微处理器， 东南大学硕士学位论文 搭建硬件电路以及软件调试等方面工作。整个开发板上构建了最小系统，由外部 供给8 - 1 2 v 5 0 0 m a 的电源，片上系统计有2 5 6 k b 的f l a s h ( 最大可增至2 m b ) ， 6 4 k b 的s r a m ( 最大可增至2 m b ) ，5 1 2 字节的e e p r o m ，实时时钟并自带 引导装入程序( b o o t s t r a pl o a d e r ) ，可通过f l a s h 工具，以串行通讯的方式向片 内闪存装载程序，进行目标代码测试。处理器的所有端口引脚都有延伸至开发板 中央的插针( c o n n e c t o r ) ，可以方便地引入引出信号。开发板上留有一个r s 2 3 2 串行接口，一个调试接口，一个c a n 总线接口和一个连接电路内仿真器( i c e ) 的仿真接口。1 6 个贴片式的发光二极管与c 1 6 7 c r 的端口p 2 相连，可用于测试 简单的电平信号。3 个空闲的片选信号可以使你轻松地扩展外围设备。 3 4 模块化的设计思想 本控制系统采用了西门子公司生产的1 6 位工用微处理器c 1 6 7 c r l m 作为 控制核心，是充分考虑了在工业环境下，摊铺机实时控制系统对抗干扰能力，响 应速度，信号精度以及通信传输等方面的要求。因为c 1 6 7 c r l m 芯片自身内置 c a n 模块，a d 转换模块，看门狗等诸多外围设备，有利于系统的集成和扩展， 同时也在一定程度上降低了系统成本和复杂度，有利于将来控制系统的产业化生 产。 整个控制系统分为三个相对独立的子模块：交互模块、测控模块和通信模块。 交互模块主要负责控制系统与操作人员之间的信息交互，管理控制面板和l c d 信息显示等等：测控模块主要负责各个采样点信息的测量以及控制量的输出等 等，是整个控制系统的核心；通信模块是控制系统与外界进行无线通讯的接口， 主要负责与远程工作站之间的信息交互，并具有少量的故障诊断处理功能。 各个子模块均使用微处理器c 1 6 7 c r - l m 作为c p u ，模块之间通过控制局域 网( c a n ) 总线协议来收发报文，进行信息的交互。整个车载系统通过通信模块， 以无线通讯方式与远程工作站取得联系，从而将单机控制系统整合到网络平台之 中。 采用模块化的设计思想，对控制系统功能进行合理分工，一方面可以减轻单 个处理器的负担，加快系统的响应速度，另一方面也有利于试制阶段的调试和实 用阶段的维护。 控制系统组成与结构示意图如图3 1 所示： 东南大学硕士学位论文 交互 c p g 。彳彳 c r - a n i墓 线 c a n 总或 交互模块 一一一一一 等卜矗扫描键盘l i 蘧拳c p u 箍龋 1 通讯、定位、1 无线卜q 等嚣 - i 故障诊断h 卅同卡l ! e 了l 气， 被控对象 二蔷谱辩1 潮拄c p u l = _ = = = _ = = = 二_ = = _ = = = = = = _ = = _ = = _ = = _ = = _ = = = _ = 型j 图3 1 ：控制系统组成与结构示意图 3 5 系统整体设计 3 5 1 存储结构与寻址方式设计 c 1 6 7 c r 将数据与代码统一编址于一个地址空间中，它一共提供了1 6 m 字节 的寻址空间。整个地址空间被组织成2 5 6 个段( s e g m e n t ) ，每个段6 4 k 字节，分 为4 个数据页( d a t ap a g e ) ，每个数据页1 6 k 字节，它们是通过数据页指针 d p p 3 d p p o 来进行寻址操作的。 本系统采用4 位段模式，即使用2 0 根地址线( 1 6 根段内地址线a 1 5 a o ，4 根段地址线a 1 9 a 1 6 ) 进行寻址操作。这是由系统控制寄存器s y s c o n 的位域 s g t d i s ( 设定为0 ) 来设置的，这是系统的默认设置。 片内存储器容量不足( 仅有2 k 字节的内部r a m 和2 k 字节的x r a m ，无r o m ) ， 因此需要扩展外部存储器。系统必须采用多片模式，这要求芯片引脚e a 在系统 复位期间必须保持为低电平，这样才会启动外部总线控制器e b c ( e x t e r n a lb u s c o n t r 0 1 l e r ) 。 在c 1 6 7 c r 中，对外围设备和外部存储器的访问是由内置的外部存储控制器 e b c 来负责执行的。对于物理地址到地址空间的映射，由寄存器s y s c o n ，b u s c o n x ( x = 0 4 ) 和a d d r e s l x ( x = 1 4 ) 来配置的。四个寄存器对 b u s c o n x a d d r e s l x ( x = l 4 ) 定义了四个独立的“地址窗”，分别管理由片选信号 c s x ( x = l 4 ) 启动的四个外围设备。地址窗映射范围之外的外部空间统一由寄 存器b u s c o n o 负责。其中b u s c o n x 指定了总线数据宽度以及总线周期等相关参数， 而对应的寄存器a d d r s e l x 则定义了上述参数所适用的地址域范围。 c 1 6 7 c r 支持4 种不同的总线类型：复用1 6 位总线，复用8 位总线，非复用 东南大学硕士学位论文 1 6 位总线，非复用8 位总线。考虑到对控制响应速度的要求，决定采用1 6 位非 复用总线模式( 传输速度最快，系统要求最低，因为数据信号、地址信号独立传输， 且无需地址锁存) 。此配置下，由端口p o ( 1 6 位) 作数据线，端口p 1 ( 1 6 位) 作低位 地址线( 6 4 k 字节段内寻址) ，端口p 4 ( p 4 3 p 4 0 ) 作高位地址线( 段地址线) ，端 口p 6 ( c s o c s 4 ) 作片选信号线( 减少了地址译码的过程) 。单个外围设备( 即 一个片选信号) 最大可寻址1 m 字节( 2 0 根地址线) 的地址空间。 由于c 1 6 7 c r 把端口都设计为复用模式，既可作为通用i o 口，又有其专用功 能，取决于开发人员的需要。这一方面提高了系统设计的灵活性，另一方面也要 求对端口功能进行正确的配置，这一般是由各个模块的控制寄存器来负责的。高 位地址线和片选信号线的配置由寄存器r p o h 决定的，其位域c s s e l 选择片选线， ( = 1 1 h ，默认设置，p 6 4 p 6 0 作为片选信号线c 8 4 c s o ) ，位域s a l s e l 选 择段地址线( = o o h ，4 位段，p 4 3 p 4 0 作为段地址线) 。 计划选取外部存储器5 1 2 k 字节r o m 4 块，5 1 2 k 字节r a m 4 块，因为数据总线 宽度为1 6 位，因此两两组成个寄存器组，分别作为一个字( w o r d ) 的高位字 节和低位字节，共用一个片选信号线。$ c s o c s 3 ( p 6 o p 6 3 ) 作存储器片选 信号( c s o ，c s 3 接r o m 寄存器组，c s l ，c s 2 接r a m 寄存器组) ，c s 4 留作扩 展i o 口和外围设备之用。 具体地址映射关系如下： a d d r e s e l i ：0 4 0 8 h = m e m o r ya r e a0 4 0 0 0 0 h 一 ( 1 mb y t er a mb a n k l ) a d d r e s e l 2 ：2 4 0 8 h = m e m o r ya r e a2 4 0 0 0 0 h ( 1 mb y t er a mb a n k 2 ) a d d r e s e l 3 ：4 4 0 8 h = m e m o r ya r e a4 4 0 0 0 0 h 一 ( i mb y t er o mb a n k 2 ) a d d r e s e l 4 。6 4 0 4 h = m e m o r ya r e a5 4 0 0 0 0 h 一一5 4 f f f f h ( 6 4 kb y t ef r e e1 0 ) c s o ： m e m o r ya r e a0 0 0 0 0 0 h - 一一一一一一0 3 f f f f h ( 6 4 kb y t er o mb a n k l ) m e m o r ya r e a1 4 0 0 0 0 h 2 2 f f f f h ( 9 6 0 kb y